Mapa Ukrainy
ISSN: 2658-2740

Adam Cebula „Ogólna teoria sznurka, czyli o tym, dlaczego nie lubimy fizyki”

Para-Nauka Adam Cebula - 12 grudnia 2014

sznurekDlaczego nie lubimy fizyki? Kto nie lubi, ten nie lubi, chciałoby się powiedzieć. Jednak wiele wskazuje na to, że na podobne uogólnienie można sobie pozwolić. Wedle danych z różnych źródeł, na maturze fizykę zdaje ok. 4% aspirujących do dumnego świadectwa dojrzałości. W gimnazjum zamieniono ją na „przyrodę”, i tą „przyrodą” jest nawet na etapie, na którym powinniśmy jednak nazywać przedmiot „fizyką”.

O rozpacz przyprawiają mnie nieraz programy popularyzatorskie. Na National Geographic jest emitowana zatkajdziura pod polskim tytułem „Anatomia głupoty”, gdzie do filmików, na których nagrano faktycznie bezrozumne wygłupy, próbuje się dorobić jakąś fizyczną treść. Niestety – powiedziałbym – w osiemdziesięciu przypadkach na sto ta treść jest jedynie fizycznym bełkotem i z prawdziwą fizyką nie ma nic wspólnego. Np. próbowano tłumaczyć, dlaczego wygłupy z poduszkami powietrznymi przeznaczonymi do ratowania pasażerów w razie wypadku, w sytuacji, gdy się zrobi z nimi coś innego niż to, do czego zostały przystosowane, są źródłem guzów i sińców. Przy okazji usłyszałem kompletnie zmyśloną teorię o tym, że poduszka działa, kiedy wylatuje z niej gaz, jednak powodu, dla którego urządzenie to, uruchomione pod deską, na której siedzi eksperymentator, może mu nawet połamać miednicę, nie poznałem. A sprawa jest dość prosta do wyjaśnienia.

Zacząć trzeba od tego, że zasadą działania poduszki powietrznej jest rozłożenie siły jej działania na dużą powierzchnię. Jeśli podczas wypadku nasza głowa zostanie zatrzymana przez coś twardego, to siła (energia starcia) zostanie przyłożona np. tylko do kilku zębów, a te nacisku kilkudziesięciu kilogramów nie wytrzymają. Tymczasem poduszka „hamuje” głowę na dużej powierzchni, na dodatek jest relatywnie miękka, przez co siła wyliczona z II zasady dynamiki jest mniejsza. Zatrzymująca się głowa przelatuje kilka centymetrów i przyspieszenie jest wielokrotnie mniejsze niż wówczas, gdy trafimy w szybę czy kierownicę.

Dla ilustracji pewnego ogólniejszego problemu pozwolę sobie podywagować nad efektem stłuczonych tyłków, który prezentował nam filmik. Można się domyślić, co się stało. Delikwenci tam pokazani chcieli użyć poduszki powietrznej jak katapulty. Umieścili ją pod jakimś siedziskiem – bardzo prawdopodobne, że pod deską albo czymś podobnym. Zapewne też nie siedzieli na niej całym ciężarem, konstrukcja była niestabilna i wymagała podpierania się nogami. Poduszka została umieszczona tak, że do jej całkowitego wypełnienia pod tym siedziskiem brakowało miejsca, inaczej nie wyrzuciłaby nieszczęśników w powietrze. Połączyły się dwa efekty. Po pierwsze, deska miała możliwość rozpędzić się do znacznej prędkości, pchana przez napełniającą się poduszkę, więc przysmarowała bardzo skutecznie w siedzenie eksperymentatora. Po drugie, poduszka w momencie, gdy deska oparła się już o kości miednicy, pchała w górę całe ciało delikwenta, czyli kilkadziesiąt kilogramów masy. W zjawiskach, których dotyczy II zasada dynamiki, siły są proporcjonalne do masy. Masa głowy to ok. 4 kg, więc kiedy nam poduszka detonuje pod tyłkiem, to efektem takiego samego przemieszczenia w tym samym czasie mogą być siły 10–20 razy większe, bo osobnik homo sapiens może spokojnie ważyć i 80 kg nawet w młodym, durnym a chmurnym wieku.

Coś mądrzejszego? Widać jak na dłoni, że wyjaśnienie wypadków opisanych na filmie jest jedynie prawdopodobne, i przez to zwyczajnie mało efektowne. Nieszczęście z fizyką polega na tym, że jak wszystkie dziedziny wiedzy stanowi klucz do potęgi, ale nie do towarzyskiego powodzenia. Istnieje tylko niewiele zjawisk w naszym otoczeniu, które da się wyprowadzić bezpośrednio z praw fizyki. Prawie wszystkie są z nimi jedynie niesprzeczne, ale ich przebieg jest mocno zamazany z tej prostej przyczyny, że składa się na niego mnóstwo procesów cząstkowych. W fizyce mówi się o układach złożonych, „nieczystych eksperymentach” itd. Oznacza to tyle, że aby przewidzieć, czy delikwent odpalający poduszkę powietrzną pod swoim tyłkiem wykona taniec świętego Wita, wrzeszcząc z bólu, czy trzeba będzie wzywać pogotowie ratunkowe, trzeba uwzględnić bardzo wiele rzeczy np. masę deski, wysokość siedzenia, rozkład mas itd.

Cudowną sprawą w nauce jest to, że z mnogości różnych efektów potrafimy wydłubać te istotne, pokazać, jakie są efekty tych mniej istotnych, i od czasu do czasu coś nam się składa na tyle dobrze, że możemy powiedzieć: rozumiemy, jak to działa.

Może zabrzmi to zabawnie, ale sznurek jest jednym z tworów ludzkich rąk, który zawsze mnie intrygował. Rzecz w tym, że łatwo wyjaśnić, jak działa, za pomocą niefizycznych, intuicyjnych sformułowań typu „skręcona przędza”, ”splątane włókna”, „splot” itp., ale jak przełożyć na fizyczne pojęcia taki fakt, że wysnuwamy z kłębu przędzy pasmo, kręcimy wrzecionem, i okazuje się, że baranie włosy o długości kilkunastu centymetrów tworzą nić długości dziesiątków metrów?

Po latach coś wiem. Zjawisko pierwsze, czyli sumowanie się sił tarcia. Jest taki eksperyment: bierzemy sobie dwie książki i składamy tak, by kartka jednej książki nakładała się na kartkę drugiej. Wystarczy niewielka siła nacisku, by tarcie było tak wielkie, że rozdzielenie książek będzie niemożliwe. Można ciągnąć z całej siły, porozrywamy zszycia, a książki „nie puszczą”.

tarciefig

Poniekąd jedną sprawę związaną ze sznurkiem mamy wyjaśnioną: setki cienkich włókien stykają się ze sobą na relatywnie wielkiej powierzchni. Suma sił tarcia może przekroczyć wytrzymałość wszystkich. Jest tylko problem – dla powstania siły tarcia potrzebna jest siła prostopadła do kierunku działania sił rozrywających sznurek. Możemy się przekonać, że nierozrywalne książki wystarczy podnieść za grzbiet jednej z nich, a rozsuną się bez trudności. Sznurek, aby trzymał się kupy, musi być przez coś ściskany.

splot

Za ten efekt odpowiedzialne jest skręcenie albo splot. Jak widać na rysunku, rozciąganie sznurka prowadzi do powstania siły ściskającej. Jej wielkość będzie zależeć od tego, jak bardzo włókna są skręcone. Jeśli sznur jest – jak to w dawnych książkach opisano – mocno skręcony, czyli przędziwo przebiega wokół osi pod dużym katem (bliskim 45 stopni albo nawet większym), siła ta będzie porównywalna z siłą rozciągającą. W sznurku skręconym luźno, gdzie kąt obiegu jest mały, będzie ona niewielka w stosunku do siły rozciągającej.

Można jeszcze opowiadać o tym, że splecenie pasm liny w prosty warkocz uniemożliwia jej rozkręcanie się, i jest lepszą „konstrukcją” niż skręcanie. Jeśli pooglądamy sobie współczesne liny, np. wspinaczkowe, zauważymy, że składają się one z oplotu, który faktycznie powstaje na tej samej zasadzie co warkocz, tyle że składa się on z oplotu wkoło (tak, jak się wyplata kosze z wikliny) oraz z rdzenia. Oplot ściska rdzeń, na który mogą działać siły jedyne wzdłuż osi liny. To powoduje, że całość jest nieco wytrzymalsza niż lina zwyczajnie skręcona.

Wiemy już wszystko? Jest jeszcze jeden istotny szczegół. Zadawałem sobie pytanie, będąc gdzieś na etapie czytania „Młodego Technika”, dlaczego np. przy budowie mostów wiszących przęsło wisi na linie, a nie na litym stalowym pręcie o dużej średnicy. Przecież, kombinowałem, taki pręt byłby mocniejszy. Dziś wiem, że nie. Jeśli weźmiemy wiązkę drutów oraz pręt stalowy o identycznym przekroju, jak suma przekrojów owych drutów, to cudownym sposobem druty mogą wytrzymać wyraźnie więcej – pomimo że użyjemy identycznego materiału.

Problem wynika z powstawiania naprężeń oraz mechanizmów niszczenia materiałów. Co się stanie, gdy w linie pęknie jedno małe włókno? Nic. Pozostałe się nieco przesuną i przejmą działającą na nie siłę. Kawałki włókna dzięki sile tarcia nadal pracują jak części składowe liny. Owszem, możemy się uprzeć, że nastąpiło obniżenie wytrzymałości w tym miejscu, ale wartość owego „osłabienia wyniesie tylko jeden podzielone przez liczbę takich włókien czy drutów pracujących w linie.

W litym materiale występuje efekt „darcia gazety”. Można się przekonać, że skręcona gazeta ma niezłą wytrzymałość na rozerwanie, ale wystarczy delikatnie pociągnąć paluszkami przy krawędzi, by rozdarła się bez wysiłku. Podobnie w litym stalowym pręcie wystarczy, by pojawiło się niewielkie pęknięcie, a rozprzestrzeni się ono od krańca do krańca. Opisany mechanizm prowadzi do tego, że włókno szklane, które naprawdę robi się ze szkła (w połączeniu z żywicą epoksydową) daje materiały o wytrzymałości metali. Kompozyt takiego włókna z blachą aluminiową jest materiałem do konstrukcji nowoczesnych samolotów.

Można dodać, że efekt darcia gazety można wyjaśnić uczenie, mówiąc o powstaniu naprężenia w miejscu pęknięcia. Albo mniej naukowo, za to poglądowo, za pomocą dźwigni jednoramiennej. Tak czy owak, mamy ciekawy efekt: lepiej podzielić pręt ze stali na druty (mówi się też „kable”, chyba za sprawą niestarannego tłumaczenia z angielskiego), by przy tej samej masie materiału uzyskać z niego wytrzymalszy element. To także jakaś tajemnica sznurka.

Ciekawe? Średnio. Może tylko trochę zaskakujące, ile mądrości można nagadać na temat czegoś tak banalnego.

Dumanie nad sznurkiem nie ma większego sensu, nawet jeśli wyprowadzimy z tego wszystkiego problem defektów i ich usuwania poprzez zmniejszanie rozmiarów elementów – nawet jeśli dojedziemy do nanorurek, grafenu i temu podobnych cudów. Myślę, że ciut ważniejszy jest wniosek, czemuż to fizyka jest taką nielubianą nauką.

Odpowiedź mamy na przykładzie powyższych rozważań: bo jest zawiła, pracochłonna, i nade wszystko – jeśli popatrzeć na nią bez emocji – diablo mało ekscytująca. Dla otrzymania poprawnych odpowiedzi, dlaczego działa sznurek trzeba się uciec do znajomości szeregu różnych zjawisk, powiedzmy sobie szczerze, całkiem nieelementarnych (jak tarcie), więc nadal wyjaśnienie będzie trochę magiczne. Trzeba mieć całkiem sporą wiedzę (dla precyzji – na rysunku obrazującym, skąd się bierze ściskanie sznurka, powinien być wymalowany równoległobok sił), nawet przydałoby się to i owo oszacować. Wreszcie, gdy dochodzimy do jakiegoś rezultatu, trzeba by mieć pewną rzadką cechę, by móc docenić, że coś z całej roboty wynikło.

Jaką? Ano, potrzebę rozumienia świata. To znaczy – chęć posiadania jakiegoś systemu pojęć, wiedzy o związkach pomiędzy nimi, można powiedzieć „systemu filozoficznego”, który tłumaczy świat. Jeśli on sznurka nie tłumaczy, i ma z nim kłopoty, to w delikwencie budzi się niepokój: coś tu nie gra, czegoś nie rozumiem, niedobrze! Zrozumienie, że jednak wszystko się zgadza, daje satysfakcję, że mój system dobrze działa. Programy popularyzujące fizykę – a nawet programy nauczania – tę satysfakcję starają się zastąpić zabawą. I tak niczym od rzemyczka do koniczka doszliśmy do poważniejszego wniosku: fizyka zaspokaja potrzeby, które współcześnie są eliminowane. Nie mamy potrzeby rozumienia… ze wszystkimi tego konsekwencjami. Przy nich mało ważne jest, że jakoś wyjaśniliśmy, dlaczego „cholerna fiza” jest tak nielubianym przedmiotem.




Pobierz tekst:

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „W gruncie rzeczy wróżba”
Felietony Adam Cebula - 19 kwietnia 2016

Komputer twoim oknem na świat we wszelkich jego aspektach, czyli Adam Cebula przetrząsa zakamarki…

Adam Cebula „Mars wita nas!”
Para-Nauka Adam Cebula - 20 kwietnia 2021

(…) powinniśmy polecieć na Marsa, bo coś może stać z Ziemią i…

Adam Cebula „Niepewność pomiarowa, czyli cztery dziurki w guziku z pętelką”
Para-Nauka Adam Cebula - 8 sierpnia 2018

Jak doniosły niedawno tak zwane publikatory – czy też media (tym razem…

Komentarze: 1

  1. jast pisze:

    Jak zwykle, nieodmiennie od lat, świetna pogadanka. Ja nawiasem mówiąc zacząłem się nad tym „jak działa sznurek” zastanawiać dopiero kiedy przyszło mi wyjaśniać jak zachowuje się silnie rozciągane DNA https://www.researchgate.net/publication/260407381_Mechanical_transition_in_a_highly_stretched_and_torsionally_constrained_DNA

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Fahrenheit